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@kazushika(Kazushika)

フレームワークなしJavaサーバーで学ぶHTTPとTCPの基礎

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この記事で伝えたいこと

  • フレームワークなしでも、JavaだけでHTTPサーバーを立ててTCP通信できること
  • JavaがHTTPリクエスト行を読み取り、method/path（例: GET /hello, GET /api/hello）をもとに応答を切り替える流れ
  • localhost と 8080 が示す意味（接続先ホストと待受ポート）

想定読者

  • localhost:8080 の通信の裏側で、何が起きているのか知りたい人
  • Javaで Hello World サーバーを動かしてみたい人
  • 簡易的にホストとサーバーを実行して仕組みを確認したい人

完成イメージ

補足:

  • 実行順序は JVM起動 -> Main.class読込 -> main()実行 -> new ServerSocket() -> socket/bind/listen。
  • Main.java がJVMを起動するのではなく、JVMが Main を実行する。
  • 図の JVM -> socket は、JVMがOSに socket -> bind -> listen を依頼して待受状態を作ることを表している。

使用技術

  • Java 17
  • java.net.ServerSocket / java.net.Socket
  • curl

実装

1. 最小サーバーを起動する

まずは ServerSocket(8080) で待ち受けるだけの最小構成を作る。
この段階ではHTTPレスポンスはまだ返さず、「接続を受け取れるか」を確認する。

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int port = 8080;

        try (ServerSocket server = new ServerSocket(port)) {
            System.out.println("Server listening on port " + port);

            while (true) {
                try (Socket client = server.accept()) {
                    System.out.println("Accepted: " + client.getRemoteSocketAddress());
                } catch (IOException e) {
                    System.err.println("Failed to handle client: " + e.getMessage());
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("Failed to start server: " + e.getMessage());
        }
    }
}

ここで最初に疑問に感じやすかったのが「なぜ try の中で ServerSocket を作って accept() まで呼ぶのか」という点。
ServerSocket は待受用、accept() が返す Socket は接続ごとの通信用、という役割分担になる。

確認コマンド:

javac src/Main.java
java -cp src Main

別ターミナル:

curl -v http://localhost:8080/

期待結果:

  • サーバーログに Accepted: ... が出る
  • curl 側はこの段階では Empty reply from server でも正常（まだレスポンス未実装のため）

この最小実装で分かったのは、サーバーの最小単位は「リクエストを受けてレスポンスを返す」という往復だということ。
最初は「サーバーはもっと大きく複雑なもの」と捉えていたが、土台は結構シンプル。

2. 固定レスポンスを返す

次はHTTPレスポンスを固定で返す。
この段階の目的は「HTTPは文字列ルールで成り立つ」ことを体感すること。

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int port = 8080;
        String body = "Hello World";
        byte[] bodyBytes = body.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);

        String headers =
                "HTTP/1.1 200 OK\r\n" +
                "Content-Type: text/plain; charset=UTF-8\r\n" +
                "Content-Length: " + bodyBytes.length + "\r\n" +
                "Connection: close\r\n" +
                "\r\n";

        try (ServerSocket server = new ServerSocket(port)) {
            System.out.println("Server listening on port " + port);

            while (true) {
                try (Socket client = server.accept()) {
                    System.out.println("Accepted: " + client.getRemoteSocketAddress());

                    OutputStream out = client.getOutputStream();
                    out.write(headers.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
                    out.write(bodyBytes);
                    out.flush();
                } catch (IOException e) {
                    System.err.println("Failed to handle client: " + e.getMessage());
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("Failed to start server: " + e.getMessage());
        }
    }
}

確認コマンド:

javac src/Main.java
java -cp src Main

別ターミナル:

curl -v http://localhost:8080/

期待結果（例: ダミー値）:

Server listening on port 8080
Accepted: /[0:0:0:0:0:0:0:1]:52341

補足: Accepted: /[0:0:0:0:0:0:0:1]:52341 の読み方

  • [0:0:0:0:0:0:0:1] は ::1（IPv6 localhost）
  • :52341 はクライアント側の一時ポート
  • これは client.getRemoteSocketAddress() の表示なので、相手（クライアント）側の情報が出ている
$ curl -v http://localhost:8080/
* Connected to localhost (::1) port 8080
> GET / HTTP/1.1
> Host: localhost:8080
> User-Agent: curl/8.7.1
> Accept: */*
< HTTP/1.1 200 OK
< Content-Type: text/plain; charset=UTF-8
< Content-Length: 11
< Connection: close
Hello World

ここで、ステータス行・ヘッダー・本文を自分で組み立てることで、
フレームワークなしでもHTTPレスポンスは返せることが分かります。

疑問: なぜ curl から Main.java に通信できるのか

最初は「同じPC上で、なぜ curl が Main.java に届くのか」がよくわかりませんでした。
どうやら以下のフローで、通信が行われているようです。

  1. Main.java が ServerSocket(8080) で待受を開始する
  2. curl が localhost:8080 に connect する
  3. OSのTCPスタックが、その接続を待受ソケットへ渡す
  4. Java側の accept() が接続を受け取る

つまり、curl と Main.java は同じマシン上の別プロセスとして、OSのTCPスタックを介して通信している。
ちなみに、TCP通信を確立するのに3ウェイハンドシェイクという技術を使っているらしい。

3. リクエスト行とヘッダーを読む

次に、クライアントから来たHTTPリクエストを読み取る。
ここでの目的は「GET /hello HTTP/1.1 のような1行目を取り出し、method/path に分解できること」です。

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int port = 8080;
        String body = "Hello World";
        byte[] bodyBytes = body.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);

        String headers =
                "HTTP/1.1 200 OK\r\n" +
                "Content-Type: text/plain; charset=UTF-8\r\n" +
                "Content-Length: " + bodyBytes.length + "\r\n" +
                "Connection: close\r\n" +
                "\r\n";

        try (ServerSocket server = new ServerSocket(port)) {
            System.out.println("Server listening on port " + port);

            while (true) {
                try (Socket client = server.accept()) {
                    BufferedReader reader = new BufferedReader(
                            new InputStreamReader(client.getInputStream(), StandardCharsets.UTF_8));

                    String requestLine = reader.readLine(); // 例: GET /hello HTTP/1.1
                    if (requestLine == null || requestLine.isEmpty()) {
                        continue;
                    }

                    String line;
                    while ((line = reader.readLine()) != null && !line.isEmpty()) {
                        // ヘッダーはこの段階では読み飛ばす
                    }

                    String[] parts = requestLine.split(" ");
                    String method = parts.length > 0 ? parts[0] : "";
                    String path = parts.length > 1 ? parts[1] : "";
                    System.out.println("method=" + method + ", path=" + path);

                    OutputStream out = client.getOutputStream();
                    out.write(headers.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
                    out.write(bodyBytes);
                    out.flush();
                } catch (IOException e) {
                    System.err.println("Failed to handle client: " + e.getMessage());
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("Failed to start server: " + e.getMessage());
        }
    }
}

確認コマンド:

javac src/Main.java
java -cp src Main

別ターミナル:

curl -v http://localhost:8080/
curl -v http://localhost:8080/hello
curl -v http://localhost:8080/api/hello

期待結果（例: ダミー値）:

Server listening on port 8080
method=GET, path=/
method=GET, path=/hello
method=GET, path=/api/hello

4. ルーティングを実装する（最後の仕上げ）

最後に、method/path で返却内容を切り替えていきます。
/, /hello, /api/hello は 200、それ以外は 404 を返します。

if ("GET".equals(method) && "/".equals(path)) {
    status = "200 OK";
    contentType = "text/html; charset=UTF-8";
    responseBody = "<h1>Welcome</h1><p>Top page</p>";
} else if ("GET".equals(method) && "/hello".equals(path)) {
    status = "200 OK";
    contentType = "text/plain; charset=UTF-8";
    responseBody = "Hello World";
} else if ("GET".equals(method) && "/api/hello".equals(path)) {
    status = "200 OK";
    contentType = "application/json; charset=UTF-8";
    responseBody = "{\"message\":\"Hello API\"}";
} else {
    status = "404 Not Found";
    contentType = "text/plain; charset=UTF-8";
    responseBody = "Not Found";
}

byte[] bodyBytes = responseBody.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
String headers =
        "HTTP/1.1 " + status + "\r\n" +
        "Content-Type: " + contentType + "\r\n" +
        "Content-Length: " + bodyBytes.length + "\r\n" +
        "Connection: close\r\n" +
        "\r\n";

確認コマンド:

javac src/Main.java
java -cp src Main

別ターミナル:

curl -v http://localhost:8080/
curl -v http://localhost:8080/hello
curl -v http://localhost:8080/api/hello
curl -v http://localhost:8080/notfound

期待結果（例: ダミー値）:

GET /           -> 200 OK, Content-Type: text/html, body: Welcome...
GET /hello      -> 200 OK, Content-Type: text/plain, body: Hello World
GET /api/hello  -> 200 OK, Content-Type: application/json, body: {"message":"Hello API"}
GET /notfound   -> 404 Not Found, Content-Type: text/plain, body: Not Found

なぜブラウザは文字を表示できるのか

  • ブラウザはHTTPレスポンスのヘッダーを見て、本文をどう解釈するか決める。
  • 具体的には Content-Type と charset を見て、本文バイト列を文字に変換する。

例:

  • text/plain -> 文字として表示
  • text/html -> HTMLとして解析して描画
  • application/json -> JSONデータとして扱う（表示/整形）

ポイント:

  • 本文だけでなく Content-Type と Content-Length の整合が表示品質に直結する。

まとめ

今回やってみて、Hello World の表示だけなら簡単そうに見えて、実際はかなり学びがありました。
特に大きかったのは、次の3点です。

  • JavaでもフレームワークなしでHTTPサーバーを立てられること
  • localhost:8080 の裏側で、socket -> bind -> listen -> accept が動いていること
  • レスポンスは「本文だけ」ではなく、status / Content-Type / Content-Length をそろえて初めて成立すること

また、curl と Main.java が同じPC上の別プロセスとして、OSのTCPスタックを介して通信していることも理解できました。
サーバーは難しい箱だと思っていたけど、土台は「受ける -> 読む -> 分岐する -> 返す」の繰り返しだと分かると整理しやすくなります。

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